“發(fā)現(xiàn)”號(hào)、“問海1號(hào)”……以青島為代表，我國(guó)無人潛水器“家底”日益豐厚

從明朝鄭和七下西洋，到意大利哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲新大陸，再到英國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)完成世界首次環(huán)球海洋科學(xué)考察……幾百年來，人類以海為媒，進(jìn)行溝通和貿(mào)易，也逐漸關(guān)注海洋本身，研究這個(gè)占地球面積最大（71%）、卻為人所知最少的藍(lán)色世界。作為探索海洋、認(rèn)識(shí)海洋和開發(fā)海洋的重要裝備，潛水器（有時(shí)也稱為“水下機(jī)器人”）日益成為科考船的標(biāo)配，如今正迎來百花齊放時(shí)期。

日前，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所無人有纜潛水器（ROV）“發(fā)現(xiàn)”號(hào)完成下潛300次；自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所自主遙控潛水器（ARV）“問海1號(hào)”入列“海洋地質(zhì)九號(hào)”科考船……作為海洋科考重鎮(zhèn)，青島的潛水器特別是無人潛水器日新月異，彰顯著我國(guó)在該領(lǐng)域進(jìn)入快速發(fā)展期。

“發(fā)現(xiàn)”號(hào)下潛300次的背后

張?chǎng)蔚街锌圃汉Ｑ笏鶇⒓庸ぷ鞯?009年，所里了解、使用潛水器的科學(xué)家屈指可數(shù)。而他在國(guó)外主要從事深海拉曼光譜原位探測(cè)技術(shù)（拉曼探針）研發(fā)，科研工作又需要潛水器支持?！袄结樤诤５坠ぷ麟x不開潛水器平臺(tái)支撐。在海中，它將一束激光打到深海環(huán)境中，根據(jù)激發(fā)光的后向散射信號(hào)就可以獲得被測(cè)物質(zhì)的化學(xué)成分、生理狀態(tài)，因此不會(huì)破壞海洋生物及其生存環(huán)境?！睆墓ぷ饕潦贾钡饺缃?，張?chǎng)尉透梢患?，那就是研發(fā)拉曼探針并以此開展原位實(shí)驗(yàn)。他回憶說，在參加工作后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，因?yàn)閲?guó)內(nèi)不具備科研條件，他每年都要花費(fèi)兩三個(gè)月出國(guó)做實(shí)驗(yàn)，“當(dāng)時(shí)，我越發(fā)覺得要在國(guó)內(nèi)繼續(xù)我的事業(yè)，第一要?jiǎng)?wù)是能有一條先進(jìn)的科考船提供科考平臺(tái)，其次科考船上要配備一個(gè)先進(jìn)的水下機(jī)器人，帶著拉曼探針進(jìn)行深海探測(cè)和實(shí)驗(yàn)。”

這個(gè)機(jī)會(huì)不久就來了。2010年，我國(guó)綜合性能最先進(jìn)的科考船“科學(xué)”號(hào)開工建造，2012年交付中科院海洋所管理運(yùn)行?！靶疫\(yùn)的是，由于當(dāng)年造船使用的鋼材價(jià)格一路走低，建造科考船的費(fèi)用節(jié)省出了5000多萬元?！睆?chǎng)握f，經(jīng)過時(shí)任所領(lǐng)導(dǎo)支持，由他擔(dān)任工程技術(shù)部副主任，全權(quán)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)定制一個(gè)4500米級(jí)的水下機(jī)器人。具體來說，該工作從2012年開始，一直持續(xù)到2014年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出設(shè)計(jì)需求并進(jìn)行監(jiān)造，由英國(guó)企業(yè)完成定制。這個(gè)水下機(jī)器人就是如今的“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV，在今年7月10日，“發(fā)現(xiàn)”號(hào)完成了第300個(gè)海洋科學(xué)考察潛次任務(wù)。

這是“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV，從科考船甲板上可以看到需要加裝的浮球。

一般而言，無人潛水器分為無人無纜潛水器（AUV）和無人有纜潛水器（ROV）。AUV自帶能源，可自主航行，能夠執(zhí)行大范圍探測(cè)任務(wù)，但作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性等能力有限。ROV有一條電纜與母船連接，依靠臍帶電纜提供動(dòng)力，水下作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)海底精確圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，作業(yè)能力較強(qiáng)，但作業(yè)范圍有限。近年來，我國(guó)結(jié)合AUV和ROV的優(yōu)點(diǎn)，還研發(fā)了自主遙控水下機(jī)器人（ARV），既可以無纜自主、也可以有纜遙控作業(yè)。相較而言，這些潛水器各有優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，但在海底作業(yè)的優(yōu)勢(shì)是共同的：一是在海底進(jìn)行原位的觀測(cè)，并拍攝高清海底光學(xué)影像，同時(shí)可以開展深海激光掃描作業(yè)，其空間分辨率可達(dá)到厘米級(jí)；二是可以直接在海底開展實(shí)驗(yàn)，最大程度認(rèn)知深海生命過程變化，這是陸地實(shí)驗(yàn)室無法比擬的。

“以往的深海研究是將深海樣品取樣，帶回陸地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。但由于取樣擾動(dòng)帶來的樣品變化，特別是深海樣品從海到陸后由于壓力、溫度等因素的驟變，其生理活動(dòng)可能也發(fā)生了改變，導(dǎo)致后期的分析研究并不準(zhǔn)確。”借助“科學(xué)”號(hào)科考船和“發(fā)現(xiàn)”號(hào)潛水器，張?chǎng)卧趪?guó)外的科研工作很快在國(guó)內(nèi)“復(fù)現(xiàn)”。2015年，他首次將自主研發(fā)的國(guó)際首臺(tái)耐高溫（450℃）拉曼光譜探針安裝在“發(fā)現(xiàn)”號(hào)進(jìn)行應(yīng)用。他說，利用潛水器上安裝的拉曼光譜探針等設(shè)備，可以直接對(duì)深海極端環(huán)境進(jìn)行化學(xué)成分分析；也可以利用潛水器在海底做實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)室搬到海底。這種無須傳統(tǒng)取樣方式的原位探測(cè)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)，已成為國(guó)際深海研究的熱點(diǎn)。

“潛龍一號(hào)”是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首臺(tái)實(shí)用型6000米AUV。

正是看到潛水器獨(dú)具特色的裝備優(yōu)勢(shì)，特別是看到西方國(guó)家利用潛水器快速進(jìn)入深海熱液、冷泉等極端環(huán)境，科研成果頻出，我國(guó)在無人潛水器領(lǐng)域的研發(fā)也在這個(gè)時(shí)期開始興起。除“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV之外，2009年，我國(guó)首臺(tái)具有3500米作業(yè)深度的無人有纜潛水器“海龍II”號(hào)ROV由上海交通大學(xué)完成研制，開始試用。時(shí)間再稍往前，沈陽自動(dòng)化所研發(fā)的CR-02，是繼CR-01之后我國(guó)第二臺(tái)6000米AUV，于2007年通過技術(shù)驗(yàn)收；沈陽自動(dòng)化所研發(fā)的北極ARV，最大潛深100米，已于2008年搭乘“雪龍”號(hào)科考船出征我國(guó)第三次北極科考。這幾個(gè)不同類型的無人潛水器，加之載人潛水器“蛟龍”號(hào)，基本就是21世紀(jì)第一個(gè)十年里我國(guó)潛水器的家底。

而“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV的研發(fā)，也為我國(guó)后來的無人潛水器發(fā)展提供了技術(shù)借鑒。“以往的潛水器上面通常安裝巨大的臍帶電纜管理系統(tǒng)（TMS），科考船通過鎧裝光電復(fù)合纜連接這個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)中儲(chǔ)存的零浮力臍帶電纜再連接潛水器。這主要是借鑒了用于海洋工程的無人潛水器的做法，但海洋科考不同，在實(shí)際應(yīng)用中難以保持潛水器與TMS相對(duì)穩(wěn)定。”張?chǎng)握f，“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV最大的不同就是不再保留這套TMS系統(tǒng)，而是直接在靠近潛水器端的最后50米鎧裝電纜上加裝浮球，使其在海底保持正浮力，這樣在科考作業(yè)時(shí)電纜在水中形成了一個(gè)接近百米的“S”形，潛水器可以自由移動(dòng)，且不易與鎧裝電纜產(chǎn)生糾纏。自“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV如此設(shè)計(jì)之后，我國(guó)后來研發(fā)的科考型ROV也都沿用了這種方法。

青島的無人潛水器已有約20個(gè)

走進(jìn)國(guó)家深海基地“走向深?！闭箯d，可以看到陳列其中的我國(guó)各類無人潛水器模型。最令人矚目的自然是“蛟龍”“海龍”和“潛龍”三大深潛裝備系列，它們大小、形態(tài)各異，是載人潛水器（HOV）、無人有纜潛水器（ROV）和無人無纜潛水器（AUV）中的代表。

“深海蘊(yùn)藏著豐富的資源，是地球上遠(yuǎn)未充分認(rèn)識(shí)和開發(fā)的寶藏?！眹?guó)家深?；毓芾碇行母笨偣こ處煻≈臆娬f，隨著國(guó)際海底調(diào)查研究工作的深入，我國(guó)自2001年起相繼獲得包括多金屬結(jié)核、多金屬硫化物、富鈷結(jié)殼等資源類型在內(nèi)的5個(gè)大洋海底勘探合同區(qū)，成為海底礦產(chǎn)資源種類最全、勘探合同區(qū)最多的國(guó)家之一。深海礦產(chǎn)資源勘探、開發(fā)，離不開深海探測(cè)裝備支持，利用載人潛水器抵達(dá)海底，可以對(duì)海底資源環(huán)境進(jìn)行更加詳細(xì)的實(shí)地勘察，因此，“蛟龍”號(hào)研發(fā)快速提上日程。

“蛟龍”號(hào)如此，“海龍”號(hào)、“潛龍”號(hào)亦是如此。以“潛龍”號(hào)為例，為了滿足我國(guó)已申請(qǐng)的國(guó)際海底礦區(qū)勘查和新礦區(qū)圈定的迫切需要，中科院沈陽自動(dòng)化研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家機(jī)構(gòu)于2012年12月成功研制“潛龍一號(hào)”，這是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首臺(tái)實(shí)用型6000米AUV，具有微地形地貌測(cè)量、海底照相、磁力探測(cè)等功能，可在水下6000米處自主巡航，連續(xù)工作24小時(shí)。此后，中科院沈陽自動(dòng)化研究所相繼研發(fā)出“潛龍二號(hào)”、“潛龍三號(hào)”和“潛龍四號(hào)”，性能參數(shù)皆有變化。值得一提的是，“潛龍一號(hào)”和“潛龍四號(hào)”為6000米級(jí)，外形為圓柱形，作業(yè)區(qū)域更適用于海底相對(duì)平坦的礦區(qū)；而“潛龍二號(hào)”和“潛龍三號(hào)”為4500米級(jí)，外形為立扁魚型，因此更有利于在復(fù)雜海底地形礦區(qū)作業(yè)?！皾擙垺毕盗袧撍鞯难兄疲瑸槲覈?guó)深海資源精細(xì)勘查提供了有力手段，填補(bǔ)了我國(guó)深海資源自主勘查的空白。

“進(jìn)入21世紀(jì)第二個(gè)十年，也即從‘十二五’開始，我國(guó)在研發(fā)載人潛水器的同時(shí)，無人潛水器也快速發(fā)展，可謂日新月異?！倍≈臆娬f，“潛龍三號(hào)”由中科院沈陽自動(dòng)化所移交深海中心，“海龍三號(hào)”ROV移交工作正穩(wěn)步推進(jìn)。目前，深海中心管理運(yùn)行的“蛟龍”“海龍”和“潛龍”三大深潛裝備已有10余個(gè)。此外，還有深海鉆探的“深龍”號(hào)、深海開發(fā)的“鯤龍”號(hào)、海洋數(shù)據(jù)云計(jì)算的“云龍”號(hào)以及作為立體深?？瓶贾纹脚_(tái)的“龍宮”等，深海潛水器重大裝備體系不斷完善。

“問海一號(hào)”是我國(guó)首臺(tái)交付工程應(yīng)用的ARV。

除了AUV、ROV之外，我國(guó)ARV也不斷發(fā)展，自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所6000米級(jí)“問海1號(hào)”ARV就是典型代表。據(jù)了解，“問海1號(hào)”是我國(guó)首臺(tái)交付工程應(yīng)用的自主遙控?zé)o人潛水器，具備自主、遙控、混合三種工作模式，可搭載高分辨率測(cè)深側(cè)掃、淺剖、重力儀、磁力儀、高清攝像機(jī)及機(jī)械手等進(jìn)行大范圍近海底自主航行探測(cè)和坐底定點(diǎn)精細(xì)取樣作業(yè)。在今年的海試測(cè)試中，“問海1號(hào)”整體性能得到驗(yàn)證，在無纜模式下最大航程可達(dá)45公里，在光纖微纜模式下最大航程可達(dá)21公里。目前，“問海1號(hào)”已列裝“海洋地質(zhì)九號(hào)”船，將服務(wù)于海洋環(huán)境調(diào)查、生物多樣性調(diào)查、海底特定目標(biāo)物探查、深海極端環(huán)境原位探測(cè)和深海礦產(chǎn)資源調(diào)查等深?？瓶脊ぷ?。

“海燕-X”水下滑翔機(jī)首次進(jìn)入萬米深淵。

此外，水下滑翔機(jī)作為一種靠浮力驅(qū)動(dòng)的新型無人無纜水下自主航行器，因具有長(zhǎng)時(shí)間、大范圍海洋環(huán)境觀測(cè)能力，也發(fā)展迅速。在青島，最具代表性的是青島海洋科研院所聯(lián)合天津大學(xué)研發(fā)的“海燕”水下滑翔機(jī)。據(jù)介紹，2015年之前，國(guó)際上僅有一型工作深度超過4000米的水下滑翔機(jī)產(chǎn)品。而“海燕-X”水下滑翔機(jī)在2020年最大下潛深度達(dá)到10619米，這是國(guó)際上滑翔機(jī)首次進(jìn)入萬米深淵，標(biāo)志我國(guó)在萬米級(jí)水下滑翔機(jī)關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破。

總體來看，目前我國(guó)不同類型的無人潛水器已形成系列化、譜系化，數(shù)量倍增。以“潛龍”“探索”“悟空”系列為代表的AUV，以“海星”“海龍”“海馬”系列為代表的ROV，以“海斗”“思源”系列為代表的ARV，以“海翼”“海燕”系列為代表的水下滑翔機(jī)，代表10多年來我國(guó)無人潛水器日益強(qiáng)大的家底。據(jù)統(tǒng)計(jì)，青島管理運(yùn)行的無人潛水器已有約20個(gè)。

“我國(guó)無人潛水器發(fā)展成績(jī)顯著，但也面臨著一些挑戰(zhàn)。”丁忠軍表示，我國(guó)潛水器一般都是單臺(tái)套作業(yè)，雖然潛水器組網(wǎng)觀測(cè)也在發(fā)展中，但與國(guó)外相比，還存在一定差距，需要進(jìn)一步布局。此外，我國(guó)無人潛水器產(chǎn)業(yè)也需進(jìn)一步完善，應(yīng)在材料、能源、傳感器等領(lǐng)域形成體系，推動(dòng)人工智能、仿生學(xué)等新技術(shù)與潛水器研發(fā)融合。相信在不久的未來，國(guó)產(chǎn)化、智能化、業(yè)務(wù)化水平更高的無人潛水器會(huì)不斷產(chǎn)出，推進(jìn)我國(guó)“深海進(jìn)入”“深海探測(cè)”“深海開發(fā)”，加快向海洋強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。（青島日?qǐng)?bào)/觀海新聞?dòng)浾?李勛祥）